Neste sistema, existem dois blocos de controlo: o controlo do módulo PV e o controlo do inversor Full-Bridge.
Relativamente ao módulo PV, o controlo é feito em tensão, isto é, tanto no modo MPPT como no modo de Controlo em Potência, o valor do Duty Cycle utilizado é escolhido de forma a afectar directamente a tensão de funcionamento do PV.
No caso do inversor Full-Bridge, o princípio do controlador escolhido (Bang-Bang Fixed Band) baseia-se no seguimento de uma corrente de referência sincronizada com a rede eléctrica. Por isso, este controlo é feito em corrente.
3.4.1. Módulo PV
Os painéis fotovoltaicos utilizam a energia solar para produzirem energia eléctrica e a sua curva característica corrente – tensão é igual à apresentada na Figura 3.10.
Figura 3.10 – Curva I(U) de um painel fotovoltaico
Nesta figura, os valores “ISC” e “UOC” representam, respectivamente, a corrente de curto-circuito
e a tensão de circuito aberto de um painel fotovoltaico. Os valores representados por “IMP” e
“UMP” correspondem à corrente e tensão da potência máxima (“PMAX”), respectivamente.
Conforme se pode verificar, o ponto de funcionamento destes painéis, ou seja, a potência que são capazes de fornecer, está dependente da tensão imposta pelo módulo de controlo. Apesar da variação da irradiância solar influenciar a energia que o PV é capaz de produzir, a forma da curva característica mantém-se inalterada, variando apenas os valores de tensão e corrente.
Assim, no âmbito do que se pretende nesta dissertação, existirão dois modos de controlo: o controlo MPPT, em que o objectivo é garantir que o ponto de funcionamento do PV corresponde ao ponto PMAX (Figura 3.10), e o Controlo em Potência que depende da potência
que está a ser consumida em cada momento.
O controlo do funcionamento do PV é realizado através do Duty Cycle do sinal aplicado na gate do transístor Q1 do conversor Boost. Como foi mostrado anteriormente, o ganho de tensão
deste conversor, 𝑀, varia proporcionalmente com o Duty Cycle, ou seja, quanto maior for o Duty Cycle, maior será o ganho de tensão do conversor (idealmente).
Nos subcapítulos seguintes serão apresentados os modos de controlo MPPT e Controlo em Potência, assim como o algoritmo que irá determinar a utilização alternativa de cada um.
3.4.1.1. MPPT (Maximum Power Point Tracking)
De modo a aproveitar ao máximo a energia que um PV é capaz de produzir, é necessário utilizar um algoritmo de controlo (MPPT), cuja função é maximizar a potência que o PV pode fornecer, isto é, garantir que o painel fotovoltaico está a funcionar em torno do ponto “PMAX”.
ISC IMP PMAX UMP UOC U I
Figura 3.11 – Curva P(U) de um painel fotovoltaico
Na Figura 3.11, pode-se verificar que o ponto onde se pretende chegar é o ponto “PMAX”. Para
se atingir esse ponto, o algoritmo MPPT vai subindo o valor do Duty Cycle do sinal aplicado na gate do transístor do conversor Boost, de modo a chegar ao valor de tensão (do PV) “UMP”.
Na realidade, como a irradiância solar instantânea está sempre a variar, o valor de “UMP” nunca
é o mesmo, assim como o valor de “PMAX” também não será.
O algoritmo MPPT utilizado foi o “Perturb and Observe” (P&O) e o respectivo fluxograma está representado na Figura 3.12 [20].
Figura 3.12 – Algoritmo P&O MPPT [20]
Este algoritmo funciona através da introdução duma pequena perturbação no Duty Cycle do sinal aplicado no transístor do conversor Boost. Essa perturbação não é mais do que um incremento ou decremento do Duty Cycle que irá afectar a tensão de funcionamento do PV. A mudança ocorrida no funcionamento do PV será verificada pelo algoritmo.
PMAX
UMP UOC
U P
Assim, ao ser introduzida uma perturbação, se a potência tiver aumentado, o algoritmo continua o incremento nessa direcção, ou seja, se, por exemplo, a perturbação for positiva e a potência aumentar, o algoritmo continua esse incremento até chegar a um ponto onde a potência é máxima (ponto “PMAX” da Figura 3.11). A partir daí, verifica-se que a potência baixa e
que o incremento terá de ser negativo.
Portanto, na situação de potência máxima, o algoritmo controla as perturbações no Duty Cycle de modo a que a potência do PV tenha oscilações muito pequenas, em torno da potência máxima.
3.4.1.1.1. Outros algoritmos MPPT
Além do algoritmo P&O, existem outros algoritmos MPPT como o Hill Climbing [21], Constant Voltage [22] e Incremental Conductance [23].
O algoritmo Hill Climbing consiste na perturbação do índice de modulação, em intervalos regulares, gravando os valores de tensão e corrente de modo a obter o valor de potência. Utilizando estes valores, é decidida a zona da curva de potência onde o sistema está a funcionar.
Deste modo, o índice de modulação será alterado de forma a maximizar a potência fornecida pelo PV. Na Figura 3.13, pode-se ver o fluxograma correspondente a este algoritmo.
O algoritmo Constant Voltage [22] utiliza o princípio de que a tensão de MPP varia muito pouco nos vários valores de irradiância. Assim, o algoritmo começa por colocar o PV à tensão de circuito aberto e considera que a tensão de MPP é 76% desse valor. Este valor é mantido durante um determinado período de tempo e, depois, o ciclo volta-se a repetir.
Este algoritmo tem a desvantagem de partir de um princípio que nem sempre é verdadeiro, porque nem sempre a tensão MPP se situa a 76% da tensão de circuito aberto.
O algoritmo Incremental Conductance utiliza a equação diferencial apresentada abaixo, onde a derivada da potência do PV em ordem à tensão é igualada a zero [23].
𝑑𝑃 𝑑𝑉 = 𝑑 𝑉𝐼 𝑑𝑉 = 𝐼 + 𝑉× 𝑑𝐼 𝑑𝑉 =0 (3.23)
Da equação (3.23), pode-se retirar a relação:
−𝑉𝐼 = 𝑑𝐼
𝑑𝑉 , (3.24)
representando o lado esquerdo da igualdade a condutância instantânea, e o lado direito a condutância incremental. Enquanto esta igualdade não se verificar, a perturbação introduzida será repetida.
Figura 3.14 – Algoritmo Incremental Conductance [23]
3.4.1.2. Controlo do PV em Potência
Conforme referido inicialmente, um dos requisitos deste inversor é garantir que não é injectada potência na rede. Por isso, este módulo de controlo entra em funcionamento quando a potência consumida é inferior à potência máxima do PV (PMAX).
Na Figura 3.15 está representado o diagrama de blocos referente ao funcionamento do Controlo em Potência.
Figura 3.15 – Diagrama de blocos do controlo em potência
O módulo de Controlo em Potência é constituído por um sistema em anel fechado onde o valor do erro, gerado pela diferença entre a potência de referência (potência de funcionamento pretendida para não ser injectada potência na rede) e a potência do PV, é tratado pelo controlador PI que, por sua vez, gera o valor de Duty Cycle necessário para estabilizar o valor da potência no valor de referência.
Controlador PI
Pref Duty Cycle PPV
PWM
PPV
Esse valor de Duty Cycle será modulado através de um driver PWM onde, posteriormente, o sinal de saída será aplicado ao transístor do conversor Boost. Esse sinal afectará a tensão de funcionamento do PV e, consequentemente, a potência que estará a fornecer (PPV).
Inicialmente foi considerada a hipótese de utilizar o valor da potência à saída do conversor Boost na retroacção, em vez de utilizar a potência do PV. Deste modo, a potência que o PV deveria gerar, teria de ser a necessária para se obter um valor de potência à saída do Boost próximo da potência de referência.
No entanto, no subcapítulo 3.4.2.3, onde é mostrado o modo de controlo do inversor Full- Bridge, verifica-se que, devido ao modo de controlo por corrente de referência, esta opção não é a melhor.
Analisando a Figura 3.16, verifica-se que, para a potência máxima, o PV deve funcionar em torno do ponto “PMAX” mas, para valores inferiores a “PMAX”, o PV pode funcionar em dois
valores diferentes de tensão.
Figura 3.16 – Curva P(U) de um painel fotovoltaico (quando P<PMAX)
De modo a garantir que existe tensão suficiente para o inversor gerar corrente e não consumir, o PV estará a funcionar em níveis de tensão superiores a “UMP”, ou seja, por exemplo, no caso
da Figura 3.16 a tensão de funcionamento será “U2” para uma potência “P”. Para tal acontecer,
os valores do Duty Cycle deverão ser superiores aos valores utilizados no modo MPPT.
Assim sendo, para o controlador PI fornecer valores de Duty Cycle que permitam que o PV esteja a funcionar no lado desejado da curva P(U), foi efectuado um ajuste nas condições iniciais da sua parte integral, escolhendo um valor de partida próximo do limite superior do Duty Cycle.
De notar que, em condições transitórias, isto é, até o PV estabilizar na potência que está a ser consumida no momento, o seu ponto de funcionamento poderá estar na zona à esquerda do ponto máximo da curva (Figura 3.16). No entanto, ao estabilizar em torno da potência de
U1 U2 PMAX UMP P U P
referência, o ponto funcionamento do PV estará à direita do ponto máximo da sua curva característica.
3.4.1.3. Quando actuar MPPT e Controlo em Potência
Nos dois pontos anteriores, foi referido que o modo MPPT seria utilizado quando a potência consumida fosse superior à potência máxima do PV, e que o modo de Controlo em Potência seria utilizado quando a potência consumida fosse inferior à potência máxima do PV.
Uma forma de fazer a escolha entre os dois módulos de controlo, seria inserir as especificações do PV utilizado (potência máxima) e, a partir daí, utilizar o modo MPPT quando a potência de referência for superior a um determinado valor que garanta que é sempre deixada uma margem de segurança, de modo a impedir que seja injectada potência na rede eléctrica. Assim, abaixo desta potência de referência, seria utilizado o Controlo em Potência.
O problema desta solução é que, além de estar dependente da inserção das especificações do PV no controlador, a potência que um PV é capaz de gerar é influenciada pela irradiância solar que o painel está a receber no momento. Assim, mesmo sabendo as especificações do PV, o controlador “não sabe” se determinada potência de referência corresponde à potência máxima (MPP) ou se corresponde a uma potência inferior.
Por exemplo, considerando uma carga de 270 W e um PV que, em determinadas condições de irradiância, consiga fornecer no máximo 280 W, admitindo uma margem de segurança de 30W, a potência de referência será de 240 W. Como este valor é inferior à potência máxima do PV, o sistema estará a funcionar no modo de Controlo em Potência.
Considerando que as condições de irradiância mudam de modo a que, neste caso, o PV só consiga fornecer, no máximo, 180W, o modo de controlo continuará a ser o Controlo em Potência quando deveria ser o modo MPPT. Logo, esta solução não poderá ser utilizada.
Na Figura 3.17, está ilustrado o método utilizado para determinar, instantaneamente, qual dos módulos deverá funcionar.
Figura 3.17 – Escolha entre MPPT e Controlo em Potência
Assim, a solução encontrada foi utilizar a saturação do controlador PI do modo de Controlo em Potência. O controlador PI deste bloco está parametrizado para variar entre 0,01 e 0,99 (valores possíveis para o Duty Cycle) e, quando é pedida uma potência superior à que o PV consegue fornecer, o controlador satura em 0,01 ou 0,99. Nesta situação, se o controlador saturar e a potência fornecida pela rede for superior a 30 W (margem de segurança), significa que o PV deve trabalhar em MPPT.
Quando o PV estiver em MPPT e, portanto, com o controlador PI “saturado”, se a potência fornecida pela rede for inferior a 30 W, é enviado um sinal de reset à parte Integral do controlador através da entrada “flag” do bloco “Controlo em Potência” da Figura 3.17, e o PV passará a funcionar no modo de Controlo em Potência.
O reset ao controlador PI, identificado na Figura 3.17 como “Função de Reset ao Controlador PI”, é necessário porque, durante o período em que o PV está em MPPT, a parte Integral está a memorizar um comportamento que não corresponde à realidade e, portanto, ao sair da situação MPPT, os valores gerados para o Duty Cycle seriam errados.
Dado que os dois módulos de controlo estão sempre em funcionamento, já que não é possível desligá-los, a selecção entre os valores de Duty Cycle gerados será realizada através de uma rotina criada para o efeito (identificada na Figura 3.17 como “Escolha entre MPPT e Controlo em Potência”). O fluxograma representativo dessa rotina encontra-se na Figura 3.18.
Figura 3.18 – Fluxograma da solução escolhida
Esta solução funciona para qualquer PV e para qualquer irradiância, sem a necessidade de configurar parâmetros que, porventura, seriam necessários noutras soluções.
3.4.2. Inversor Full-Bridge
Na Figura 3.19, está representado o diagrama de blocos referente à ligação entre o bloco de controlo e o inversor.
Figura 3.19 – Bloco de controlo ligado ao Inversor Full-Bridge
Devido ao facto do sistema funcionar em dois modos, MPPT e Controlo em Potência, também este controlador está preparado para estes dois modos de funcionamento.
Pref Controlador Inversor Sinais de comutação dos transístores
Corrente de saída VBoost
flag
Inversor
Full-‐Bridge
Figura 3.20 – Bloco “Controlo Inversor”
A Figura 3.20 representa o interior do bloco identificado por “Controlador Inversor” na Figura 3.19.
Antes de entrar no detalhe deste bloco, nos pontos seguintes será feita uma breve introdução ao modo de controlo de corrente Bang-Bang e ao método de sincronização da corrente gerada com a rede eléctrica, Phase Lock Loop (PLL).
3.4.2.1. Controlador de corrente Bang-Bang
O controlador de corrente Bang-Bang utiliza um controlo por histerese e dele derivam modos de controlo como o Fixed-Band, Sinusoidal-Band, Adaptative e Adaptative-Fuzzy [24] [25]. Neste sistema, por simplicidade e por satisfazer o que se pretende, foi utilizado o controlador de corrente Bang-Bang Fixed Band a dois níveis.
O modo de controlo Fixed Band tem como função controlar a corrente entregue pelo inversor Full-Bridge, através de uma corrente de referência 𝐼!"#. Este controlo é feito através da
comutação a uma frequência elevada dos transístores do inversor.
Assim, o erro entre a corrente de saída e a corrente de referência, será recebido por um controlador de histerese que será responsável pela comutação dos transístores do inversor. Este controlador tem definida uma banda fixa de histerese (fixed band) e o valor do erro entre as duas correntes deverá estar contido nessa banda.
Deste modo, se o erro de corrente for superior ao limite superior da banda de histerese, a corrente de saída deverá baixar e se o erro for inferior ao limite inferior da banda de histerese, a corrente deverá aumentar. Na Figura 3.21 está representado o diagrama deste modo de controlo.
Figura 3.21 – Diagrama do controlador fixed band [25]
Este controlador é muito interessante porque, para além da sua simplicidade, é relativamente estável e tem um bom desempenho. No entanto, apresenta o inconveniente da frequência de comutação não ser constante [24] [25].
3.4.2.2. PLL – Phase Lock Loop
No ponto anterior viu-se que o controlo de corrente era feito através da comutação dos transístores do inversor, seguindo uma corrente de referência. De modo a garantir que essa corrente está sincronizada em fase e frequência com a rede, recorreu-se ao PLL.
O PLL tem como objectivo sincronizar a tensão da rede com a corrente do inversor, de modo a atingir um factor de potência unitário [26].
Figura 3.22 – Estrutura típica de um PLL (monofásico) [26]
Na Figura 3.22 constata-se que, para o PLL detectar a fase do sinal Vg, é necessário gerar um
sistema de tensão ortogonal (“orthogonal voltage system”) representado pelo bloco “Create orthogonal system”.
Apesar da estrutura de um PLL ser a da Figura 3.22, existem vários métodos para gerar uma tensão ortogonal. Um deles poderá ser, por exemplo, utilizar um bloco de atraso de modo a introduzir uma desfasagem de 90º, mas com a mesma frequência fundamental do sinal de entrada [27]. Outro exemplo poderia ser a utilização da transformação inversa de Park presente no artigo [28].
Relativamente ao controlador PI, o cálculo dos respectivos parâmetros deve possibilitar o ajuste do tempo de estabelecimento e o factor de amortecimento desejados para o sistema [26].
3.4.2.3. Controlo do Inversor Full-Bridge
Tendo sido explicado, nos pontos anteriores, o funcionamento dos blocos “Bang-Bang Fixed Band” e “PLL”, pode-se agora passar à descrição do controlo do inversor propriamente dito.
Na Figura 3.23, pode-se ver como é obtida a corrente de referência utilizada no controlador de corrente Bang-Bang.
Figura 3.23 – Controlo do inversor
Começando pela situação em que o PV está a funcionar em MPPT, o objectivo é ter variações muito pequenas da tensão à saída do conversor Boost (Vdc na Figura 3.23), em torno do valor
da tensão de referência (Vref na Figura 3.23), para que sua média seja constante e toda a
corrente gerada pelo conversor Boost seja entregue ao inversor.
Para se conseguir atingir este objectivo, foi utilizado um controlador PI que é responsável pelo fornecimento da amplitude da corrente de referência utilizada pelo controlador Bang-Bang. Este controlador recebe o valor do erro entre a tensão de referência (Vref) e a tensão à saída do
conversor Boost, e calcula o valor da amplitude da corrente de referência necessário para o sistema estabilizar a tensão de saída (Vdc) no valor pretendido.
Como a irradiância solar não é constante, também a potência disponível no PV não é constante, o que significa que a amplitude da corrente de referência será afectada. Assim, devido ao carácter local destes controladores, os valores obtidos para a amplitude da corrente de referência nem sempre são os correctos, isto é, para determinados valores de irradiância o controlador PI não consegue estabilizar no valor correcto para a amplitude da corrente de referência.
Tendo em conta estes factores, a solução encontrada para melhorar o comportamento do sistema em MPPT foi utilizar o controlador PI com compensação [26]. Essa compensação é feita através do quociente entre a potência que o PV está a fornecer (Ppv) e a tensão de
“Controlo em Potência”
“MPPT” “Compensação”
referência (Vref), o qual, por sua vez, será adicionado ao valor da amplitude de corrente gerado
pelo controlador PI, como se pode ver em maior detalhe na Figura 3.24.
Figura 3.24 – Detalhe da Figura 3.23 referente ao controlo MPPT
No caso do PV estar a funcionar em Controlo em Potência, o objectivo principal passou a ser a não injecção de corrente na rede eléctrica. Assim, a utilização do controlador PI do MPPT já não é viável, porque a potência que o PV deve fornecer está dependente da potência pedida no momento, que é imprevisível.
Nos ensaios efectuados, o controlador deixou sempre que alguma potência fosse injectada na rede, numa fase transitória de potência. Por isso, foi necessário encontrar uma alternativa que, instantaneamente, fornecesse um valor para a amplitude da corrente de referência, de modo a garantir que toda a corrente produzida era consumida na habitação e não fornecida à rede.
A Figura 3.25 representa o gráfico da potência fornecida pela rede eléctrica numa simulação onde a carga inicial é de 440 W e, aos 0,15 s, passa para 80 W.
Figura 3.25 – Potência na rede utilizando o controlador PI do modo MPPT em condições STC
Conforme se pode verificar, a potência da rede toma valores negativos, o que significa que é injectada potência.
Assim, chegou-se à conclusão que a melhor forma de ultrapassar esta situação, seria recorrer a outro controlador PI com uma afinação diferente do controlador do MPPT. Na Figura 3.26 pode-se ver o diagrama de blocos da solução utilizada.
Figura 3.26 – Detalhe da Figura 3.23 referente ao Controlo em Potência
Nesta solução, pretende-se que o sistema esteja a fornecer valores de potência bastante perto da potência de referência (Pref). Por isso, a função do controlador PI será limitar a amplitude da
corrente de referência de modo a minimizar o erro entre a potência de referência e a potência à saída do Boost (Pboost).
No subcapítulo 3.4.1.2, que mostra modo de Controlo em Potência, foi referido que na retroacção não seria utilizada a potência à saída do Boost mas sim a potência do PV. A razão
desta escolha prende-se com o facto de, no caso primeira hipótese, haver um atraso entre a potência que o PV está a fornecer e a potência que está à saída do Boost.
Assim e se, por exemplo, a potência de referência baixar para 80 W, o PV andará constantemente a mudar o seu ponto de funcionamento. Em concreto, se a potência à saída for de 85 W, tendo em conta o atraso referido, o PV baixará o seu funcionamento para valores na ordem dos 10 W para chegar aos 80 W. De igual modo, se a potência à saída for de 70 W, o PV estará a funcionar em potências superiores para se chegar aos 80 W.
Juntando esta situação com uma limitação repentina da corrente de referência do inversor, verificou-se que, pelo facto da potência que o PV está a fornecer ser, muitas vezes, superior à potência de referência, a tensão do condensador do Boost apresentava subidas acentuadas.
Na solução adoptada, isto já não acontece porque o PV já está a funcionar à potência de referência e a amplitude de 𝐼!"# necessária para que a potência à saída seja Pref, é controlada
pelo controlador PI do Controlo em Potência.
Na Figura 3.27, foi efectuada a mesma simulação da Figura 3.25 e, como se pode observar, não foi injectada potência quando ocorreu a queda de potência aos 0,15 s. Além disso, também se pode verificar que a potência fornecida pela rede estabiliza mais rapidamente em torno do valor de guarda de 30 W.
Figura 3.27 – Potência na rede utilizando o método adoptado
O método para escolher qual a amplitude de corrente a utilizar é o mesmo que foi utilizado na